A arquitetura de energia de muitos dispositivos industriais ou médicos é muitas vezes semelhante à de um smartphone de tela grande. Tipicamente, 3,7V (carga final ou tensão "flutuante" de 4,2V) Li-Ion tem sido usado como principal fonte de energia devido à sua alta densidade energética por peso unitário (Wh/kg) e densidade energética por volume unitário (Wh/m3) . No passado, muitos dispositivos de alta potência usavam duas baterias li-ion de 7,4V (8,4V) para atender aos requisitos de energia, mas devido à disponibilidade de um gerenciamento de energia barato de 5V, cada vez mais dispositivos portáteis usam arquitetura de menor tensão, o que torna possível o uso de uma bateria Li-Ion de célula única. Um dispositivo médico ou industrial portátil típico tem muitas funções e uma tela de exibição muito grande (para dispositivos portáteis). Quando alimentado por uma bateria de 3,7V, sua capacidade deve ser medida em milhares de miliwatts-hora. Para carregar uma bateria tão grande em poucas horas, é necessária uma corrente de carregamento de vários amplificadores.
A baixa tensão flutuante de 3,6V das baterias LiFePO4 impede o uso de Li-Ion padrão. O carregamento inadequado pode causar danos irreparáveis a esta bateria. O carregamento preciso de tensão flutuante prolongará a vida útil da bateria. As vantagens das baterias LiFePO4 em comparação com as baterias de íons de lítio à base de cobalto incluem maior densidade de energia volumosa e menos propensas a falhas prematuras.
As principais restrições de design são resumidas da seguinte forma:
Baterias de alta capacidade requerem alta corrente de carregamento e alta eficiência
Muitas aplicações portáteis, incluindo equipamentos industriais e médicos, exigem a conveniência do carregamento compatível com USB
As baterias LiFePO4 têm requisitos especiais de carregamento, ou seja, tensão flutuante mais baixa, e têm algumas vantagens reconfortantes sobre as baterias Li-Ion
Qualquer solução de IC discutida acima que atenda a essas restrições de design deve ser compacta e monolítica, capaz de carregamento rápido e eficiente de baterias de alta capacidade unicelulares e compatível com novas químicas, como fosfato de ferro de lítio. Tal dispositivo poderia ser um catalisador para aumentar a adoção global de produtos industriais e médicos portáteis com baterias de alta capacidade.
Abordando os desafios de energia de dispositivos portáteis usando baterias de célula única
Embora os requisitos acima possam parecer impossíveis de atender a um IC monolítico, dê uma olhada no LTC4156. O LTC4156 segue o popular carregador de bateria ltc4155 baseado em lítio e é um gerenciador powerpath™ de alta potência, controlado por I2C, de alta eficiência, controlador ideal e carregador de ferro de lítio (LiFePO4) para aplicações portáteis usando baterias unicelulares, como equipamentos médicos e industriais portáteis, equipamentos de backup e aplicações alimentadas por bateria de alta densidade de energia. O IC foi projetado para fornecer eficientemente até 15W de energia de uma variedade de fontes de alimentação, minimizando o consumo de energia e aliviando as restrições térmicas do orçamento. A topologia de passagem do LTC4156 gerencia perfeitamente a distribuição de energia de duas fontes de entrada, como o adaptador CA e a porta USB, para a bateria recarregável de fosfato de ferro de lítio do dispositivo, ao mesmo tempo em que prioriza a energia para a carga do sistema quando a energia de entrada é limitada. Veja a Figura 1.
Figura 1: Circuito típico de aplicação para o LTC4156
Devido à economia de energia, o LTC4156 permite que a corrente de carga de saída exceda a corrente desenhada pela fonte de entrada, maximizando assim o uso da energia disponível para carregar a bateria sem exceder a especificação de fornecimento de entrada. Por exemplo, quando alimentado por um adaptador AC 5V/2A com 10W de potência disponível, o regulador de comutação do IC pode fornecer eficientemente mais de 85% da energia disponível, fornecer até ~2.4A de corrente de carregamento e carregar mais rápido . Ao contrário dos carregadores de bateria comuns, o LTC4156 possui operação instantânea para garantir que a energia esteja disponível assim que o sistema estiver conectado, mesmo quando a bateria é profundamente descarregada. Uma vez que suporta USBOTG (On-the-Go), ele pode, por sua vez, fornecer uma fonte de alimentação de 5V para a porta USB sem quaisquer componentes adicionais.
O carregador de bateria LiFePO4 autônomo de tela única do LTC4156 pode fornecer até 3,5A de corrente de carga com 15 configurações de corrente de carga selecionáveis pelo usuário. O carregador inclui recarga automática, detecção de bateria ruim, temporizador de segurança programável, carregamento qualificado de temperatura controlada, indicação/término programável de fim de carga e interrupções programáveis. O LTC4156 é embalado em um pacote de temperatura de 0,75 mm de baixo perfil (0,75mm) de 28 pinos e 4mmx5mmQFN e é garantido para operar ao longo da faixa de temperatura de -40C a 125C.
Regulador de comutação interna de alta eficiência
O regulador de comutação do LTC4156 funciona como um transformador, permitindo que a corrente de carga no VOUT exceda a corrente desenhada pela fonte de entrada, e a capacidade de carregar totalmente a bateria com a energia disponível é muito melhorada em comparação com os carregadores típicos de modo linear. Os exemplos anteriores ilustram como o LTC4156 pode carregar eficientemente até 3,5A, permitindo velocidades de carregamento mais rápidas. Ao contrário dos carregadores de bateria de comutação comuns, o LTC4156 possui operação instantânea para garantir que a energia esteja disponível para o sistema assim que estiver conectada, mesmo quando a bateria estiver morta ou profundamente descarregada.
Figura 2: LTC4156VOUT Eficiência vs. Corrente de carga
Mais seguro para baterias
É importante monitorar a segurança da bateria quando carregar rapidamente a bateria. Quando a temperatura da bateria cai abaixo de 0C ou sobe acima de 60C (medida por um coeficiente de temperatura nTC negativo externo), o LTC4156 automaticamente pára de carregar. Além deste recurso autônomo, o LTC4156 fornece um conversor analógico-digital (ADC) de 7 bits em escala estendida para monitorar a temperatura da bateria com resolução ~1C (ver Figura 3). Esta ADC, combinada com as 4 configurações de tensão flutuante disponíveis e as configurações de corrente de carga de bateria de 15, pode ser usada para construir algoritmos de carga personalizados com base na temperatura da bateria.
Figura 3: ADC de 7 bits mostrando pontos de viagem de temperatura LTC4156 predefinidos
Para muitas aplicações portáteis, como PCs de tablet ou scanners de código de barras industriais, o gerenciamento de duas entradas (por exemplo, adaptador USB e CA) é suficiente. No entanto, os projetistas de dispositivos portáteis estão constantemente procurando maneiras de carregar as baterias de qualquer fonte de energia disponível. O multiplexer prioritário de entrada dupla do LTC4156 seleciona de forma autônoma a entrada mais apropriada (adaptador CA ou USB) com base em uma prioridade definida pelo usuário (prioridade padrão é entrada adaptadora). Um circuito de proteção de sobrevoltação (OVP) protege ambas as entradas simultaneamente de danos causados por tensões altas ou reversas aplicadas acidentalmente. O controlador de diodo ideal do LTC4156 garante que a potência suficiente esteja sempre disponível para o VOUT, mesmo que a potência de entrada seja insuficiente ou inexistente. Para minimizar o vazamento da bateria quando o dispositivo está conectado a uma porta USB no modo suspenso, um LDO é colocado entre VBUS e VOUT para fornecer ao aplicativo uma corrente de suspensão USB permitida. Para eliminar o vazamento da bateria durante a fabricação e vendas, o recurso "ship and store" reduz ainda mais a já fraca corrente de backup da bateria para quase zero.
Finalmente, o LTC4156 é totalmente compatível com pin-e componentes com a versão LTC4155 Li-Ion, permitindo a flexibilidade e conveniência de químicas de bateria de última hora sem a necessidade de rearranjos de grande área.
em conclusão
Para novos equipamentos industriais e médicos portáteis, o trabalho do designer é extremamente desafiador, especialmente quando a energia está envolvida. As funções solicitadas pela empresa exigem cada vez mais energia e, como resultado, baterias maiores. Ao mesmo tempo, as pessoas precisam de conveniência e querem carregar essas baterias com qualquer fonte de energia. As baterias de fosfato de ferro de lítio estão se tornando a escolha principal devido à sua segurança inerente, baixa tensão flutuante, vida útil mais longa do ciclo, menor taxa de auto-descarga e peso relativamente leve. Mas, como qualquer bateria recarregável, as baterias de fosfato de ferro de lítio devem ser tratadas com cuidado. Embora essas tendências em fontes de alimentação portáteis tenham criado desafios de design, o LTC4156 torna as coisas muito mais fáceis. Em sistemas de baixa tensão, o LTC4156 fornece eficientemente até 3,5A de corrente de carga, proporcionando alto desempenho e recursos de segurança.
